Y-a-t-il de la vie ailleurs ? (si oui, où et comment la détecter ?) Marc Ollivier Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay

Résoudre l’équation de Drake • Equation de Drake • 2 approches - Globale : SETI -> N   "bruyantes" = Ncivil . F  "bruyante" - Pas à pas Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. L’approche SETI Conséquences immédiates si réussite Absence de signification de l’absence de signal Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Approche pas à pas …Pleurant, je voyais de l'or, - et ne pus boire. (A. Rimbaud) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

1) Combien y-a-t-il d’étoiles dans le ciel ? Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Nombre d’étoiles dans la Galaxie Quelques 1011 dans la Galaxies Des milliards de galaxies et des amas de galaxies Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

2) Quelle fraction d’étoiles a des planètes ? A la recherche des exoplanètes… Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Des planètes par dizaines 13/10/2009 Plusieurs milliers d’étoiles surveillées en VR : Une vingtaine de programmes de recherche au sol et depuis l’espace par transits et microlentilles gravitationnelles • 315 systèmes planétaires • 373 planètes (>300 par VR) • 39 systèmes multiples :1 quadruple, 1 quintuple http://exoplanet.eu/ Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Des planètes partout Autour des étoiles de toutes tailles Type solaire : ex HD 209458 (G0V) Géantes : ex HD 47536 (K1 III : 23.5 R) Naines : ex Gl 581 (M4) Autour des étoiles en fin de vie Pulsar : ex PSR 1257+12 Naines blanches : ex V 391 (naine SdB) Autour des objets jeunes : ex 2MASS 1207 (naine brune 5 Mans) Dans les systèmes en formation : ex Fomalhaut Dans les disques de débris : ex Béta Pic Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

La diversité des exoplanètes Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Des découvertes nombreuses Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Amélioration de la détectivité Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Vers les exoplanètes telluriques VR : HARPS et filiation Microlensing gravitationnel TR : CoRoT et Kepler Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Combien d’exoplanètes ? Entre 5 et 10 % de planètes géantes, dont 2 % de planètes géantes chaudes (moins de 0.1 u.a. de leur étoile) Peut-être plus ? Satellites des planètes géantes ? Continuité de la distribution en masse Les premières exoplanètes telluriques font leur apparition Total : quelques dizaines de % d’étoiles à planètes ? Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

3) Quelle fraction des exoplanètes est habitable ? De la nécessité de savoir de quoi l’on parle… Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Comment définir la vie ? Un système: structuré (contient de l’information) Reproductif Évolutif : modification aléatoire et sélection du plus performant Certes, mais comment la caractériser à distance (détection analyse) ? Hypothèse 1 : la vie doit se développer à l’échelle de la planète et modifier son environnement pour être détectable Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Quelle(s) forme(s) de vie envisager ? Un codage chimique de l’information : Chimie du carbone Existance de 2 formes : C réduit (CH4) et C oxydé (CO2) et tous les nombres d’oxydation intermédiaires Chimie du carbone : chimie universelle ? Au laboratoire : 107 molécules (hors ADN) : 105 non carbonées Dans le milieu interstellaire : plus de 80 % de molécules organiques identifiées Une chimie en solution dans l’eau liquide (Brack 93) Solvant polaire ionisant et solvatant Solvant capable d’induire des liaisons par pont hydrogène Solvant à activité modérée (hydrolyse) Solvant résistant aux UV (photodissociation : formation de O3) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Définir une planète habitable Présence d’une grande quantité d’eau liquide 2) Présence d’une quantité importante de carbone (CO2, CH4, molécules organiques extraplanétaires) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Ex : la Terre : origine du carbone réduit 1019 à 1020 kg de C réduit dont 0.01% de vivant Flux météoritique: taux actuel : 30 T/an 4 % de chondrites carbonnées 4 % de matière organique dans les chondrites carbonnées (dont 5 % solubles dans l’eau) -> 50 kg de matière organique par jour -> 1014 kg sur 5 Gans au taux actuel de bombardement LHB -> x1000 -> 1017 kg de C réduit apporté par les météorites Nécessité de réduire le CO2 atmosphérique Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

La zone d’habitabilité Zone où l’eau liquide peut se maintenir à la surface. Sur une fraction inconnue de cette zone, la planète peut maintenir un biotope, où la photosynthèse et une production biologique est possible (eau et lumière présents simultanément). Une vie endolithique est possible sans eau à la surface (Mars) ou en dehors de la HZ (Europa) mais semble difficile à détecter à distance Rosing et al. (2005, 2006) Océan vaporisé Océan liquide Océan gelé Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

ZH : planète en équilibre radiatif A, Rpl, Teff S D PAS DE PRISE EN COMPTE DES GAZ A EFFET DE SERRE NI DE L’ATMOSPHERE NI DES EFFETS DE PHASE NI DU CHAUFFAGE INTERNE Flux reçu de l’étoile = flux émis par la planète Avec S: flux de l’étoile, A: albedo de la planète D: distance étoile planète Teff : température effective de la planète (Teq) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Les paramètres qui limitent la ZH • Ensoleillement stellaire variable (soleil jeune ~ 70 % de la luminosité actuelle) • Limite interne : rôle de l’eau et de l’opacité due aux nuages (albédo) • Limite externe : rôle des gaz à effet de serre Pas de prise en compte des sources de chauffage interne Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Limites interne de la ZH 4 Incertitude sur la position des frontières dues aux nuages Solar luminosity 2 time (Gyr) -2 -4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 distance to the Sun (AU) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Classification spectrale des étoiles Le diagramme Hertzsprung-Russel Séquence principale • 90 % des étoiles • Relation univoque entre : - Température - Luminosité - Masse - Durée de vie Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Zone d’habitabilité et type stellaire Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Habitabilité autour des étoiles M (numéro récent d’Astrobiology) Les planètes dans la ZH sont rapidement phase-lockée par effets de marée - effets sur le climat (Joshi, 1998, 2003) exposition à un flux intense et durable de radiations X-EUV, et vent solaire intense (Scalo et al., 2007), fréquentes CMEs (Kodatchenko et al., 2007) et erruptions Temperature (K) Exospheric XUV heating Kulikov et al., 2006

Finalement : quelle fraction habitable ? • Nécessité de calculer la ZH pour chaque système planétaire • Nécessité d’identifier l’eau et certains paramètres physico-chimique (T, albedo, …) • Nécessité de faire une observation directe des exoplanètes Combien de planètes habitables détectables ? Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

4) Quelle fraction des (exo)planètes est effectivement habitée ? Du laboratoire aux grands espaces sidéraux… Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Comprendre les processus conduisant à la vie (1) L’expérience d’Urey et Miller : synthèse d’acides aminés à partir d’une atmosphère abiotique “primitive” réductrice Ammoniac Hydrogène Méthane Eau Énergie Formation de nombreuses molécules organiques complexes en une semaine PB : marche avec plusieurs types d’atmosphères mais ds conditions particulières (acidité) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Comprendre les processus conduisant à la vie (2) Les difficultés de l’approche analytique Inconnue sur la nature exacte de l’atmosphère primitive (composition + conditions physico-chimiques) Difficulté à passer des briques organiques aux premiers organismes vivants Unicité des chemins ? Rôle des processus d’évolution (longue durée ou catastrophiques) Information parcellaire et parfois biaisée. Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Identifier la vie primitive et comprendre son évolution Straménopiles Dinoflagellés Apicomplèxes Ciliés Sulfolobales Thermoproteales Thermococcales Methanopyrales Methanobactériales Methanomicrobiales Halobactériaceae Thermoplasmales Archaeoglobales Vertes du soufre Aquificales Thermotogales Thermus / Deinococcus Gram positives Low GC High GC Planctomyces Vertes (non du soufre) Cianobactéries Bacteroides Spirochètes Chlamydiales Protéobactéries Animaux Plantes Champignons Algues rouges Amibes Entamoeba Slime moulds Kinétoplastides Euglena Trichomonadines Diplomonadines Microsporidies L’arbre de la vie ARNr 16S/18S Eukarya (eucaryotes) Bacteria (bactéries) Archaea (archées) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Les extrêmophiles Pyrolobus fumarii Mid-Atlantic Ridge 113ºC Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Explorer l’environnement terrestre proche : Mars Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

La « révolution » Mars Express / OMEGA Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Chercher la vie sur Mars Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. La vie sur Europa ? Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

La vie hors système solaire Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Approche observationnelle Critères d’habitabilité effective (1) Critère de détection à distance et détermination de la composition chimique de l’atmosphère (critère spectroscopique) Critère fiable Pas de faux positif Critère sélectif Pas de modèle paramétrable avec paramètres ad hoc Exhaustivité pas indispensable Les faux négatifs sont acceptés Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Recherche de l’éthanol (alcool éthylique) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Approche observationnelle Critères d’habitabilité effective (2) • Déséquilibre thermodynamique - Lovelock (1975) sur Terre : gaz hors équilibre <=> origine biologique (ex: CH4/O2) - pas de fondement physique mais correct empiriquement (Sagan - Observations avec Galileo) • CH4 + H2O - sur la Terre primitive : [CH4] = 10-4 <- abiotique [CH4] = 10-2 <- biotique - un possible “critère” (faible : Kasting 1993) • CO2 + O3 + H2O (Owen, Léger, Selsis et al.) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Dégagement de O2 comme critère de vie • Développement à grande échelle => beaucoup de carbone organique (partiellement réduit) • matériau abondant : CO2 (complètement oxidé) Besoin de réduire C à partir CO2 CO2 + 2 H2O + énergie -> (CH2O) + O2 + H2O photons, chaleur du manteau • O2 : gaz très réactif (/rochers, /gaz volcaniques) -> disparaitrait (~ 5 Myr) si pas régénéré (ex: FeO -> Fe2O3) La présence massive de H2O et O2 dans une atmosphère planétaire peut être un bon critère pour une vie basée sur la chimie du carbone (Owen 1980) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. O3 comme traceur de O2 O3 marqueur logarithmique de 02 (Léger et al. 1993) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Critère d’habitabilité dans le Système Solaire Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Selsis & Tinetti (Darwin proposal)

Comment tester l’habitalité effective Nécessité d’observer la composition atmosphérique au premier ordre Spectre avec une résolution de quelques dizaines et un S/B de quelques dizaines Problématique instrumentale complexe Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Conclusions (1) A ce jour, la vie n’a pas été détectée ailleurs que sur Terre. A ce jour aucune exoplanète n’est assurément habitable et encore moins habitée Il est possible d’obtenir des informations sur l’habitabilité par spectroscopie des atmosphères Il faut se préparer à être surpris (rôle de la biologie et de la chimie) L’observation directe de la surface des exoplanètes est illusoire. Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.

Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O. Conclusions (2) Conférence AMA 09 - 0RSAY - 13 octobre 2009 - M.O.